基于enDYNA的柴油機瞬態EGR控制硬件在環仿真平臺研究＊

趙靖華洪偉韓林沛韓永強解方喜

（1.吉林師范大學；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室）

基于enDYNA的柴油機瞬態EGR控制硬件在環仿真平臺研究＊

趙靖華1，2洪偉2韓林沛2韓永強2解方喜2

（1.吉林師范大學；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室）

為實現試驗臺模擬增壓柴油機瞬態EGR控制，基于CY6D180柴油機和enDYNA建模軟件設計了硬件在環仿真平臺。通過典型工況下的模型驗證以及仿真平臺與臺架試驗的EGR優化結果分析，表明該仿真模型平均誤差不超過10%，可輔助試驗臺架進行穩態EGR優化標定試驗。通過該仿真平臺的瞬態進氣量跟蹤測試表明，跟蹤曲線的平均超調量在5%左右，且瞬態響應調節時間短，該平臺可有效模擬CY6D180柴油機的瞬態響應特性。

1 前言

由于歐Ⅳ等排放標準對增壓柴油機增加了瞬態測試循環(EuropeanTransient Cycle，ETC)，使得瞬態工況下排放優化問題成為研究熱點，而排氣再循環（EGR）回流的瞬態控制研究又是重中之重[1，2]。但由于增壓柴油機瞬態試驗難度大、測試成本高，對試驗設備需求也高，使得完全依靠試驗方法進行EGR瞬態控制的研究受到很大程度的限制。

硬件在環（hardware in loop，HIL）仿真技術[3，4]可代替實機運行，不僅降低了對高端設備的需求和試驗難度，而且也能減少投入、縮短試驗時間[5，6]。邢杰等人[7]建立了混合動力系統的動態模型，搭建了包含實車控制器的駕駛員硬件在環實時仿真平臺；李靜等人[8]基于硬件在環試驗臺進行了典型工況試驗，驗證了控制系統的跟隨控制效果。此外，研究人員開始利用一些商用建模軟件幫助建立模型。其中，enDYNA軟件[9]可對發動機進行精確建模，有學者采用該軟件進行了車輛自診斷系統及直噴汽油機的研究[10，11]。本文在上述研究成果的基礎上，基于CY6D180重型柴油機的臺架試驗數據，利用enDYNA建模軟件、實時硬件系統dSPACE以及兩個實際閥體（節氣閥和EGR閥）搭建了柴油機瞬態EGR控制硬件在環仿真平臺，實現了試驗臺模擬增壓柴油機瞬態EGR控制。

2 enDYNA軟件建模及EGR控制硬件在環仿真平臺的建立

enDYNA軟件建模前，需利用CY6D180柴油機試驗臺架以及PCL-818HG數據采集卡、Horiba MEXA氣體分析儀等測控設備采集該柴油機在各穩態工況下的性能參數。CY6D180柴油機部分穩態工況下的性能參數見表1。將得到的80%穩態數據以及該柴油機的基本參數（連桿質量、活塞質量、活塞銷質量等）提交給enDYNA軟件系統中的預處理程序，逐步建立發動機模型，剩余的20%穩態數據用于模型驗證。

表1 CY6D180柴油機穩態工況下性能參數

建立模型時，通過預處理執行文件將上述數據依照一定的邏輯及先后順序，分為參數特性曲線擬合和參數之間關系MAP擬合2個步驟進行處理。在此過程中，分別依據當前數據分布的特點以及精度要求等選擇恰當的擬合函數。圖1為EGR瞬態控制硬件在環試驗平臺結構。該實時仿真平臺的控制系統由運行在xPC-Target中的EGR瞬態控制算法以及原機ECU構成；半實物模型部分由運行在dSPACE硬件AUTOBOX中的enDYNA軟件所建模型以及實體EGR閥、節氣閥構成；控制系統與半實物模型之間的數據通過AUTOBOX和PCL818HG數據采集卡中的A/D和D/A口進行傳輸。

3 模型穩態精度驗證

enDYNA軟件中自帶了模型穩態精度驗證對比模式em-steady，該運行模式將利用前文所述穩態數據中剩于的20%部分進行模型驗證。該模式運行時會自動將驗證所用的實機工況點數據集合，與相應工況點的仿真數據進行對比分析。模型穩態精度驗證所用轉速工況變化情況如圖2所示，部分對比結果如圖3和圖4所示。圖3為在不同轉速下的有效扭矩仿真計算值與實際測量值的比較，其大部分工況點的仿真誤差均為±10%，且最大不超過30%。圖4為在不同轉速下噴油質量計算值與實際測量值的比較，其大部分工況點的仿真誤差均為±10%，且最大不超過25%。對比結果表明，enDYNA軟件所建模型誤差較小，能夠滿足EGR系統控制設計對被控對象建模精度的需求。

4 硬件在環仿真平臺的EGR優化結果與試驗臺架測試結果對比分析

為降低臺架EGR優化標定成本，首先以硬件在環仿真平臺為基礎進行了EGR優化研究。通過研究原機穩態數據發現，部分低轉速工況下進氣中冷后壓力比排氣壓力大，需要增加一個節氣閥來降低進氣歧管壓力以保證足夠的EGR流量。在硬件在環仿真環境下，以燃油消耗率最大增幅不超過3%、消光煙度不超過4%為前提，以NOx排放降低幅度最大為目標，通過調節EGR閥和節氣閥（ITH）得到了各穩態工況下的最優EGR率。表2為在穩態測試循環（ESC）中B轉速（1 473 r/min）時各負荷梯度下EGR優化后的發動機耗油及排放水平與原機的對比結果。其中，當負荷率為20%時，EGR優化后NOx排放降幅達到57.1%，對應消光煙度僅為0.60%。

將利用硬件在環仿真平臺EGR優化仿真得到的兩閥開度結果作為試驗臺架測試的兩閥控制目標，得到的部分臺架試驗結果如表3所列。由表3可知，EGR優化后，硬件在環仿真平臺的發動機特性與試驗臺架測試結果基本一致，各項參數最大平均誤差不超過8.3%，表明該硬件在環仿真平臺可以輔助CY6D180柴油機試驗臺架進行穩態EGR優化標定試驗。

表2 硬件在環仿真平臺下的EGR優化后的發動機性能及排放結果

表3 EGR優化后臺架試驗結果及誤差率

5 EGR控制硬件在環仿真平臺的瞬態性能測試

在硬件在環仿真平臺上調節2個實體閥跟蹤理想進氣量，完成仿真平臺的瞬態性能測試。圖5和圖6分別為油門位置在50%和30%時的瞬態加速工況下，調節EGR閥和節氣閥跟蹤理想進氣量的瞬態變化過程中各參數的變化情況。由圖5和圖6可看出，從起動車輛到發動機工作20 s過程中擋位變化了3次，擋位變化時刻對應車輛的加速，即進氣量加大時刻。在此過程中，從EGR閥和節氣閥兩個執行器開度的瞬態變化過程可知，當EGR閥全開仍不能完成進氣量的控制任務時，節氣閥將開始關閉動作。

由圖5和圖6的進氣量跟蹤情況可知，在發動機模型起始運行階段，進氣量跟蹤的超調現象較明顯，這是因為該模型建模所用的數據最低轉速為800 r/min，即起車低轉速階段建模精度不夠；模型運行的中后期平均超調量在5%左右，最大超調量在10%以內，并且加速階段瞬態響應調節時間很短。上述模型瞬態仿真結果表明，所建立的硬件在環仿真平臺能夠模擬瞬態工況下調節EGR閥和節氣閥跟蹤理想進氣量的瞬態變化過程，可用于CY6D180柴油機EGR瞬態控制器的設計及測試。

6 結束語

搭建了柴油機瞬態EGR控制硬件在環仿真平臺。利用該仿真平臺進行的典型穩態工況下的模型驗證及EGR優化仿真結果表明，該仿真模型的平均誤差不超過10%，可以輔助柴油機試驗臺架進行穩態EGR優化標定試驗。利用該仿真平臺進行的EGR控制瞬態仿真測試表明，進氣量跟蹤的平均超調量在5%左右，且瞬態響應調節時間很短，能夠有效模擬該試驗臺架的瞬態響應特性，輔助瞬態EGR控制器的設計及測試。

1Hitoshi Yokomura，Susumu Kouketsu，Seijiro Kotooka et al. Transient EGR Control for a Turbocharged Heavy Duty Diesel Engine.SAE Paper 2004-01-0120，2004.

2王玉玲，龔志國，洪偉，等.EGR對重型柴油機性能影響的試驗研究.汽車技術，2013（7）:44～49.

3吳海東，郭孔輝，盧蕩.基于LabVIEW RT的硬件在環仿真.汽車技術，2010（9）:1～4.

4FelipeBrabdao，DavidKeely，KevinFan.UsingModel，Software and Hardware-in-the-loop to Develop Automated Transmission.SAE Paper 2007-01-2581.

5Trigui R，Jeanneret B，Malaquin B.Hardware in the loop simulation of a diesel parallel mild-hybrid electric vehicle. Proceedings of the IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.Piscataway，NJ，USA:IEEE，2007:448-455.

6John Wilkinson，Cedric W.Mousseau，Thomas Klingler. Brake Response Time Measurement for a HIL Vehicle Dynamics Simulator.SAE paper 2010-01-0079.

7邢杰，何洪文，孫逢春.混合動力汽車控制策略硬件在環仿真開發平臺.北京理工大學學報，2010，30（8）:887～890.

8李靜，王子涵，余春賢，等.硬件在環試驗臺整車狀態跟隨控制系統設計.吉林大學學報(工學版)，2013.

9鄧濤，孫冬野，秦大同，等.基于Simulink與veDYNA聯合仿真平臺的AMT硬件在環試驗研究.汽車工程，2011，33（5）:411～416.

10Philip O，Huber M.Development and Test of ECU Fuctions for OBD with enDyna.SAE paper 2004-01-5042.2004.

11趙靖華，洪偉，李學軍，等.GDI汽車發動機怠速時滯依賴的H∞控制.農業機械學報，2010，41（11）:20～25.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年3月3日。

Research on Hardware-in-loop Simulation Platform of Diesel Transient EGR Control Based on enDYNA

Zhao Jinghua1，2，Hong Wei2，Han Linpei2，Han Yongqiang2，Xie Fangxi2
（1.Jilin Normal University;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University）

To simulate transient EGR control of turbocharged diesel engine through test bench，we design a hardware-in-loop simulation platform based on CY6D180 diesel engine and modeling software enDYNA.By model validation in the typical operating conditions and analysis of EGR optimization results between the simulation platform and the bench test，we observe that this simulation model has average error of no more than 10%，and it can assist test bench for steady-state EGR optimization calibration tests.Through transient intake air tracking test on simulation platform，we conclude that the average overshoot of the tracking curve is approx.5%，moreover，the transient response adjusting time is short，this platform can be used to effectively simulate the transient response characteristic of CY6D180 diesel engine.

Diesel engine,Transient process control,Hardware-in-loop

柴油機瞬態過程控制硬件在環仿真

U467.2

A

1000-3703（2014）07-0024-04

吉林省科技發展計劃資助項目（20130522157JH）；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（吉教科合字[2014]第488號）；吉林省科技發展計劃、吉林省公共計算平臺資助（20130101179JC-16）。